Техника - молодёжи 1968-11, страница 22

Конечно, проблема термоэлектрических генераторов не досужая выдумка фантастов, а предмет серьезного научного исследования. Все сказанное не может опорочить идею термоэлементов. Установки такого типа не выступают в качестве будущих конкурентов действующих электростанций. Они предназначены для работы не в земных, а в космических и

ПОД. ДАВЛЕНИЕМ

ЮЛ ДАВЛЕНИЕМ

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ. Q - теплота реакции, Z — валентность ионов,

de

Т — температура, — коэффициент ЭДС.

температурный

других особых условиях, где к величине к.п.д. подходят совсем с других позиций и где достоинства установки оцениваются совсем другими критериями. Здесь, несмотря на относительно небольшой к.п.д., полупроводниковые преобразователи небольшой мощности действительно не имеют себе равных, так как легких и дешевых двигателей с такими мощностями все равно не существует. А термоэлектрогенераторы просты по конструкции, легки, надежны, долговечны и практически не требуют ухода.

Немало написано и о блестящих перспективах термоионных преобразователей. Но, увы, в формулу для определения электродвижущей силы такого преобразователя также входит роковая величина к/е, поэтому выходное напряжение его не превышает 1—2 в. Правда, предлагаются способы увеличения напряжения: термоионные преобразователи переменного тока или последовательное соединение нескольких тысяч термоионных элементов. Однако осуществить эти способы — задача не такая уж простая и дешевая, как может показаться на первый взгляд.

От внимания поклонников безмашинных электростанций не ускользнул и фотоэлемент. Но и здесь законы физики кладут предел смелым мечтам. Если

МГД — генератор, ц — электрический к. п. д., u — скорость движения газа в канале генератора, / — расстояние между электродами, В — магнитная индукция поля возбуждения.

электродвижущую силу термоэлементов ограничивает отношение постоянной Больцмана к заряду электрона, то для фотоэлемента эту роль играет отношение постоянной Планка к заряду электрона. Электродвижущая сила фотоэлемента, работающего даже в ультрафиолетовой части солнечного спектра, не может превышать 10 в. Чтобы увеличить напряжение, нужно повышать энергию падающих на фотоэлемент квантов, то есть переходить на более высокие частоты. Пока речь идет о небольших мощностях, никаких особых затруднений здесь, по-видимому, не возникает. Но если всерьез ставить вопрос о замене таким элементом крупной турбинной электростанции, то картина получается совершенно другой. Опыт, полученный при взрывах ядерных боеприпасов, свидетельствует: энергия гамма-лучей высокой интенсивности, а также кинетическая энергия электронов, протонов, нейтронов почти полностью переходит в тепло. Элемент в 500 Мвт, работающий на гамма-лучах, 0,05 Мэв создаваемых искусственным источником при площади 1 кв. м и к.п.д. 50% только за счет потерь должен нагреться до 10000°. При такой температуре нет смысла использовать фотоэлементы. Гораздо проще и эффективнее МГД-генератор, а то и обыкновенный турбогенератор. Если же снижать эту температуру за счет увеличения поверхности охлаждения, то фотоэлемент приобретет огромные размеры и окажется неспособным конкурировать с самой обычной тепловой электростанцией. Такой вывод справедлив не только для фотоэлемента^, но и для атомной батареи, работающей на быстродвижущихся электронах.

К.П.Д.>100%, КОГДА МОЩНОСТЬЮ

А может быть, вообще не связываться с тепловой энергией? Может, попытаться получать электричество прямо за счет химической энергии топлива, минуя обычное сжигание?

Воображение услужливо рисует знакомую картину: на календаре 1980 год. Мы в зале электростанции, работающей на топливных элементах. Перед нами гигантский бак, к которому ведут трубы, провода и т. п. Сопровождающий инженер объясняет, что, кроме этого бака, на электростанции ничего существенного больше нет. Ни котлов, ни турбин, ни даже ядерных реакторов. Тут уже добились стопроцентного коэффициента полезного действия станции...

Но кажущаяся простота топливного элемента в высшей степени обманчива. Еще в конце XIX века казалось: решение не за горами. Упорные поиски тогда велись во всем мире. В частности, в России занимался этим вопросом изобретатель П. Яблочков. Казалось, еще чуть-чуть — _и электростанции с топливными элементами дадут мощный промышленный тдк. Однако задача оказалась много сложнее, чем представлялась вначале. А уж если топливные элементы не могли удовлетворить энергетические запросы прошлого века, то что говорить об энергетике конца XX и последующих веков! Эта же мысль высказывалась на международном симпозиуме по топливным элементам, на котором один из докладчиков с горечью заявил, что создание промышленных электростанций на

топливных элементах — сейчас гораздо более трудная задача, чем в начале века, когда к.п.д. паротурбинных электростанций не превышал 10%. На том же симпозиуме указывалось, что к.п.д. топливного элемента, близкий к 100%, конечно, вызывает восхищение, но восхищение быстро сменяется разочарованием: поразительный результат достигается при таких низких плотностях тока, которые не имеют практического значения.

Если все проблемы будут блестяще решены, топливные элементы не смогут заменить электрические машины в масштабах целой страны, а тем более планеты. Даже водородно-кислородный элемент — наиболее эффективный из всех возможных типов — может дать электродвижущую силу не более 1,5 в на ячейку, а при большой мощности батареи — меньше 1 в. Получать от топливного элемента большую электродвижущую силу мешает не какой-то конструктивный недостаток, а величина теплового эквивалента электрохимической реакции. Этот эквивалент выражается числом 23 000. Такую работу в калориях производит электрический заряд, переносимый одним грамм-эквивалентом (96 500 кулонов) под напряжением 1 в. Пытаться изменить этот эквивалент — все равно, что пытаться изменить равенство 2 X 2 ■» 4. Надежды на будущее тут вряд ли уместны. Поэтому радужное видение — гигантский бак в зале электростанций и т. д. — едва ли найдет материальное воплощение не только в 1980, но и вообще в каком-либо году.

Пусть нас поймут правильно. Мы совсем не хотим сказать, что топливные элементы никуда не годятся. В науке не бывает бесполезных открытий, и топливные элементы, вне всякого сомнения, найдут работу по силам. Однако их роль и значение, как, впрочем, и всех остальных «новых методов преобразования энергии», зачастую непомерно преувеличиваются.

Для специализированных областей производства, например в электролизной технике, эти установки могут оказаться эффективными. Однако пока еще даже здесь топливные элементы не представляют интереса: самые лучшие из них работают на химически чистых водороде и кислороде. Для энергетики же практический интерес представляют только дешевые топлива и самый дешевый окислитель — воздух.

ПОСЛЕДНЕЕ СЛОВО В ЭНЕРГЕТИКЕ

И з всех «прямых» и «безмашинных» методов получения электроэнергии наилучшие перспективы на будущее в крупной энергетике у магнитогидродинамиче-ских генераторов — МГД-генераторов. Правда, их лишь с большой натяжкой можно отнести к «прямым» и к «безмашинным»: по характеру энергетической цепочки они не намного отличаются от обычного турбогенератора.

МГД-генератор может представить практический интерес при очень больших мощностях — 1000 Мвт и выше в одном агрегате. К сожалению, температурная стойкость существующих материалов пока не позволяет начать строительство такой установки.

Сейчас достоинства магнитогидродина-мических генераторов представляются бесспорными, и они проектируются как

ТЕПЛООБМЕННИК

ВХОД ВОЗДУХА

(рЫХОА. В АТМОСФЕРУ

18